KR20090032653A - Apparatus for measuring vibration modal and method thereof - Google Patents

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Abstract

A vibration modal measure system and a measurement method thereof are provided to guarantee the economic efficiency by finding out the vibration mode generated in the object rapidly. A vibration modal measure system(100) comprises a high speed camera(20) which detects the edge of an object(10) automatically and obtains the vibration displacement value of edge as image; a video processor(30) which transforms the obtained image to the frequency, and compares frequencies and outputs each frequency mode shape.

Description

진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법{APPARATUS FOR MEASURING VIBRATION MODAL AND METHOD THEREOF}Vibration modal measuring device and its measuring method {APPARATUS FOR MEASURING VIBRATION MODAL AND METHOD THEREOF}

본 발명은 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 대상물의 진동에 따른 주파수별 모드 형상을 이용하여 진동 모달을 측정하는 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vibration modal measuring apparatus and a measuring method thereof, and more particularly, to a vibration modal measuring apparatus and a measuring method for measuring the vibration modal using a mode shape for each frequency according to the vibration of the object.

일반적으로 교량, 도로 및 댐 등과 같은 구조물은 변형 또는 붕괴되었을 때 주변에 미치는 영향이 지대하므로, 노후에 따른 상시적인 안전관리가 매우 중요하다.In general, structures such as bridges, roads, and dams have a great impact on the surroundings when they are deformed or collapsed. Therefore, continuous safety management due to aging is very important.

이러한 안전관리의 일환으로 구조물에 대한 변형 모니터링 기술이 발전되어 구축된 진단시스템으로 노후된 구조물에 대한 장기간의 연속적인 점검이 실시되어 왔다.As part of such safety management, the deformation monitoring technology for the structure has been developed and a long-term continuous inspection of the aging structure has been carried out with the diagnosis system.

구조물은 외부로부터 규칙적 또는 불규칙적인 충격을 상시적으로 받게 된다. 예를 들어, 교량 또는 도로일 경우 통행하는 자동차로부터 갖가지 크고 작은 충격을 항상 받게 된다.The structure is constantly subjected to regular or irregular impact from the outside. For example, in the case of bridges or roads, you will always receive a variety of small and large impacts from the cars you pass.

이러한 외부로부터 받는 충격은 구조물에 진동을 끊임없이 유발시키게 되고, 구조물이 노후해지면서 전반적인 내구성 저하로 이어져 붕괴의 위험성을 낳게 된다.These external shocks constantly cause vibrations in the structure, and as the structure ages, the overall durability decreases, which leads to the risk of collapse.

종래 구조물에 대한 진동감지는 변위의 측정을 위한 센서를 통해 이루어지는 데, 센서를 통한 진동감지를 위해서는 구조물의 여러 곳에 다수개의 센서를 부착한 뒤, 상기 각 센서로부터 수신되는 감지신호를 모니터링 장치에서 분석하는 절차를 거치게 된다.Vibration detection for a conventional structure is made through a sensor for measuring displacement, and in order to detect vibration through the sensor, a plurality of sensors are attached to various parts of the structure, and then the detection signals received from each sensor are analyzed by a monitoring device. You will go through the procedure.

따라서 개개의 센서를 일일이 구조물의 여러 곳에 부착해야 하며, 또한 개개의 센서는 모두 유선으로 모니터링 장치에 연결해야 하기 때문에, 설치가 번거롭고 복잡하여 상시적인 진단 시스템으로는 부적합한 문제점이 있다.Therefore, since the individual sensors must be attached to various places of the structure, and all the individual sensors must be connected to the monitoring device by wire, installation is cumbersome and complicated, which is not suitable for the continuous diagnosis system.

특히 교량과 같이 복잡한 구조를 갖는 시설물에서는 센서의 부착 위치나 측정 부위의 제약이 심하기 때문에, 정확한 진동측정을 보다 빠른 시간 내에 해내기가 용이하지 못한 문제점이 있다.In particular, in a facility having a complicated structure such as a bridge, since the limitation of the attachment position or the measurement site of the sensor is severe, there is a problem that it is not easy to perform accurate vibration measurement in a short time.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진동 모달의 측정을 간편하고 경제적으로 할 수 있도록 개선된 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an improved vibration modal measuring apparatus and its measuring method so that the measurement of the vibration modal can be made simply and economically.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동 모달 측정 장치는 고속 카메라 및 영상 처리기를 포함할 수 있다.Vibration modal measurement device of the present invention for achieving the above object may include a high-speed camera and an image processor.

상기 고속 카메라는 피사체의 모서리를 자동으로 탐지하여, 상기 모서리의 진동 변위값을 영상으로 획득할 수 있다.The high speed camera may automatically detect an edge of a subject and acquire a vibration displacement value of the edge as an image.

상기 영상 처리기는 상기 고속 카메라에 의하여 획득된 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 간의 상호 비교를 통해 상기 주파수별 모드 형상을 출력할 수 있다.The image processor may convert an image obtained by the high speed camera into a frequency and output the mode shape for each frequency through mutual comparison between the frequencies.

진동 모달 측정 방법은 피사체의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역에서 피사체의 모서리를 고속 카메라에 의하여 탐지하기 위한 방향을 설정하는 단계와, 상기 고속 카메라에 의하여 상기 대상물의 위치별 진동 신호를 획득하는 단계 및 상기 획득된 진동 신호를 영상 처리기에 의하여 주파수별로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.The vibration modal measuring method may include setting a region of a subject, setting a direction for detecting a corner of the subject by a high speed camera in the set region, and acquiring a vibration signal for each position of the object by the high speed camera. And converting the obtained vibration signal for each frequency by an image processor.

상기와 같이 본 발명에 따르면, 피사체에 복수개의 진동 센서를 부착할 필요 없이 고속 카메라에 의하여 신속하게 피사체에 발생되는 진동 모드를 파악할 수 있으므로 경제적이며, 진동 모드에 따라 진동에 저항할 수 있도록 피사체의 구조 변경이 용이한 효과를 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, it is economical because it is possible to quickly grasp the vibration mode generated on the subject by a high-speed camera without the need to attach a plurality of vibration sensors to the subject, and it is economical The structural change can provide an easy effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a vibration modal measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 진동 모달 측정 장치(100)는 고속 카메라(20) 및 영상 처리기(30)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the vibration modal measurement apparatus 100 may include a high speed camera 20 and an image processor 30.

상기 고속 카메라(20)는 표준 속도 이상의 스피드(speed)로 촬영할 수 있는 카메라로서, 고속으로 촬영하여 정상적인 속도로 돌리면 피사체(10)의 동작이 우주에서 유영하듯 매우 느리게 보일 수 있다.The high speed camera 20 is a camera capable of shooting at a speed higher than a standard speed. When the high speed camera is photographed at high speed and rotated at a normal speed, the operation of the subject 10 may appear to be very slow as if moving in space.

상기 고속 카메라(20)는 고속 비디오 카메라로서, 구동 방법에 따라 기계식, 전자식 고속 카메라일 수 있고, 결상 원리에 따라 영상 분리형, 줄무늬형 고속 카메라일 수 있다.The high speed camera 20 is a high speed video camera, and may be a mechanical or electronic high speed camera according to a driving method, and may be an image separation type or a stripe type high speed camera according to an imaging principle.

상기 고속 카메라(20)는 임의의 프레임(frame;미도시)에 설치되어 상하좌우로 이동이 가능하며, 피사체(10)의 모서리(11)를 자동으로 탐지할 수 있으며, 고속으로 피사체(10)에 발생하는 진동 변위값을 영상으로 획득할 수 있다.The high speed camera 20 may be installed in an arbitrary frame (not shown) to move up, down, left, and right, and may automatically detect the edge 11 of the subject 10, and the subject 10 at high speed. The vibration displacement value generated in can be obtained as an image.

상기 영상 처리기(30)는 상기 고속 카메라(20)와 전기적으로 연결되어, 상기 고속 카메라(20)에서 획득한 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 사이에 상호 비교를 통하여 주파수별로 모드(mode)의 형상을 출력할 수 있다.The image processor 30 is electrically connected to the high speed camera 20, converts an image obtained from the high speed camera 20 into a frequency, and performs a mode for each frequency through mutual comparison between the frequencies. The shape of can be output.

상기 주파수들의 상호 비교에 의하면, 촬영된 피사체(10)의 어떤 부분에서 어떤 형태의 진동이 발생되는지를 파악할 수 있다.According to the mutual comparison of the frequencies, it is possible to determine what type of vibration occurs in which part of the photographed subject 10.

상기 획득한 영상의 주파수 변환은 고속 퓨리에 변환(fourier transform)을 통해 이루어질 수 있으며, 먼저 주파수 응답함수를 구하고, 상기 주파수 응답함수에서 허수값을 취함에 의해 주파수별로 진동 모드의 형상을 구할 수 있다.The frequency transformation of the acquired image may be performed through a fast Fourier transform. First, a frequency response function may be obtained, and the shape of the vibration mode may be obtained for each frequency by taking an imaginary value from the frequency response function.

상기 주파수 응답함수에서 허수값은 진동에 의하여 피사체(10)의 위상 변화값을 나타낼 수 있다.In the frequency response function, an imaginary value may represent a phase change value of the subject 10 due to vibration.

즉, 상기 허수값에 의하여 주파수의 선도(線圖)로 나타내게 되면, 주파수별 진동 모드는 피사체(10)의 각 부분에서 발생되는 진동에 의한 구조 변형을 나타낼 수 있다.In other words, when represented by a line of frequency by the imaginary value, the vibration mode for each frequency may represent structural deformation due to vibration generated in each part of the subject 10.

상기와 같은 진동 모달 측정 장치(100)에 의하면, 피사체(10)의 어떤 부분에서 어떠한 형태의 진동이 발생되는지 용이하게 파악할 수 있어, 상기 진동에 대해 피사체(10)의 각 영역에서 진동에 대한 저항을 위해 적절히 대응할 수 있다.According to the vibration modal measurement apparatus 100 as described above, it is possible to easily determine what type of vibration occurs in which part of the subject 10, and the resistance to vibration in each region of the subject 10 with respect to the vibration. You can respond appropriately.

또한, 종래 다수의 진동 센서를 피사체의 각 영역에 부착하여 진동을 측정하는 방법 대신, 고속 카메라(20)에 의하여 피사체(10)의 전 영역에 대하여 진동을 측정할 수 있으므로 경제적일 수 있다.In addition, instead of a method of measuring vibration by attaching a plurality of vibration sensors to respective areas of the subject, it may be economical to measure the vibration of the entire region of the subject 10 by the high speed camera 20.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart sequentially showing a vibration modal measurement method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 진동 모달 측정 방법은 먼저 진동을 측정하기 위한 피사체의 영역을 설정한다(S1).Referring to FIG. 2, the vibration modal measuring method first sets an area of a subject for measuring vibration (S1).

상기 설정된 영역의 피사체에서 모서리 부분을 탐지하기 위해 고속 카메라를 이동시켜 방향을 설정한다(S2).In order to detect a corner portion of the subject in the set area, the direction is set by moving the high speed camera (S2).

상기 방향이 설정되면, 상기 모서리 부분이 전부 고속 카메라의 렌즈에 상이 맺히도록 상기 고속 카메라의 초점 및 심도를 맞추고, 모서리 부분의 해상도와 진동 변위값의 구분이 명확하도록 분해능 및 셔터 스피드 등을 조절하여 촬영한다(S3). When the direction is set, the focus and depth of the high speed camera are adjusted so that all the corner parts are formed on the lens of the high speed camera, and the resolution and the shutter speed are adjusted to clearly distinguish the resolution and the vibration displacement value of the corner parts. Shoot (S3).

상기 촬영에 의해 상기 피사체 모서리 부분의 진동 변위값을 구하면, 상기 고속 카메라와 전기적으로 연결된 영상 처리기에서 처리한다.When the vibration displacement value of the edge portion of the subject is obtained by the photographing, the image processor is processed by the image processor electrically connected to the high speed camera.

상기 영상 처리기는 상기 진동 변위값을 고속 퓨리에 변환에 의하여 주파수로 변환한다(S4).The image processor converts the vibration displacement value into a frequency by a fast Fourier transform (S4).

상기 고속 퓨리에 변환은 주파수 응답함수에 상기 각각의 진동 변위값을 대입하여 나오는 값 중 허수값을 취하여 피사체 각 영역에서의 주파수별로 진동 모드를 구한다(S5).The fast Fourier transform takes an imaginary value from the values obtained by substituting the respective vibration displacement values into a frequency response function to obtain a vibration mode for each frequency in each region of the subject (S5).

상기 주파수별 진동 모드는 주파수 선도로 나타낼 수 있는데, 상기 주파수 선도에서의 각 주파수들을 상호 비교하게 되면, 상기 피사체의 각 영역에서의 어떤 형태의 진동이 나타나는지 구분할 수 있다(S6).The vibration mode for each frequency may be represented by a frequency diagram, and when the frequencies in the frequency diagram are compared with each other, it is possible to distinguish what type of vibration appears in each region of the subject (S6).

상기와 같은 방법에 의하여 피사체의 진동 모달을 측정하게 되면, 고속 카메라의 해상도가 허용하는 한, 한 대의 고속 카메라로 여러 개의 진동 센서를 설치하는 효과를 볼 수 있다.When the vibration modal of the subject is measured by the above method, as long as the resolution of the high speed camera allows, one high speed camera may have an effect of installing several vibration sensors.

따라서, 진동 모달의 한계인 진동 센서의 설치 개수를 획기적으로 크게 늘리 는 효과를 얻을 수 있으며, 진동 센서에 소요되는 고가의 앰프나 분석기 등을 사용하지 않아도 되므로 경제적일 수 있다.Therefore, the effect of significantly increasing the number of installation of the vibration sensor, which is the limit of the vibration modal, can be obtained, and it can be economical since it is not necessary to use an expensive amplifier or analyzer required for the vibration sensor.

또한, 피사체의 어떤 부분에서 어떠한 진동이 발생되는지 파악하기 용이하여 상기 진동에 대해 저항할 수 있도록 피사체의 구조 등을 변경하기 용이할 수 있다.In addition, it is easy to identify which vibration occurs in which part of the subject, and thus, it may be easy to change the structure of the subject to resist the vibration.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a vibration modal measurement device according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 진동 모달 측정 장치에 의하여 진동 모달을 측정하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도.FIG. 2 is a flowchart sequentially showing a method of measuring a vibration modal by the vibration modal measuring apparatus of FIG. 1. FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10... 피사체 11... 모서리10 ... Subject 11 ... Corner

20... 고속 카메라 30... 영상 처리기20 ... high speed camera 30 ... image processor

100... 진동 모달 측정 장치100 ... vibration modal measuring device

Claims (6)

피사체의 모서리를 자동으로 탐지하여, 상기 모서리의 진동 변위값을 영상으로 획득하는 고속 카메라; 및A high speed camera which automatically detects an edge of a subject and acquires a vibration displacement value of the edge as an image; And 상기 획득된 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 간의 상호 비교를 통해 상기 주파수별 모드 형상을 출력하는 영상 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치.And an image processor converting the obtained image into a frequency and outputting the mode shape for each frequency through mutual comparison between the frequencies. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주파수별 모드 형상은 상기 진동 변위값을 고속 퓨리에 변환에 의하여 주파수 응답함수를 구하고, 상기 주파수 응답함수의 허수값을 취함에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치. The mode shape for each frequency is obtained by obtaining a frequency response function by fast Fourier transform and taking an imaginary value of the frequency response function. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고속 카메라는 상하좌우로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치.The high speed camera is a vibration modal measuring device, characterized in that the movable up, down, left and right. 피사체의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역에서 피사체의 모서리를 고속 카메라에 의하여 탐지하기 위해 방향을 설정하는 단계;Setting an area of a subject and setting a direction to detect an edge of the subject by a high speed camera in the set area; 상기 고속 카메라에 의하여 상기 피사체의 위치별 진동 신호를 획득하는 단 계; 및Acquiring a vibration signal for each position of the subject by the high speed camera; And 상기 획득된 진동 신호를 영상 처리기에 의하여 주파수별로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.And converting the obtained vibration signal for each frequency by an image processor. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 진동 신호의 상기 주파수별로의 변환은 고속 퓨리에 변환에 의하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.The vibration modal measuring method, characterized in that for converting the vibration signal for each frequency by a fast Fourier transform. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 주파수별로 변환하는 단계는 주파수 응답함수에 의해 허수값을 취득하여 상기 주파수별의 모드 형상을 구하는 것인 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.Converting for each frequency is a vibration modal measurement method, characterized in that to obtain the imaginary value by the frequency response function to obtain the mode shape for each frequency.
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